Odsolování syrovátky ED

Transkript

Membránové inovační centrum
Odsolování syrovátky
elektrodialýzou
Jan Kinčl
7.5.2013
Odsolování syrovátky elektrodialýzou
Iontovýměnná membrána
• 2 základní typy
• homogenní: výroba přímou polymerací monomeru s aktivními centry
• heterogenní: výroba kompozitu – ionexová pryskyřice, inertní polymerní
nosič, armující textilie
• Aktivní centra: kvartérní amin, sulfo-skupina
• Princip funkce: zabránění transportu stejně nabitých iontů
• Základní parametry: plošný a specifický odpor, permselektivita,
tloušťka, rozměrové změny, mechanická pevnost
Elektrodialyzační modul
• Plate-and-frame uspořádání (typ kalolis)
• Střídání kation a anionvýměnné
membrány (tloušťka do 0,5mm)
• Kanály jsou tvořeny plastovými
rozdělovači (tloušťka do 1mm)
• Ploché elektrody na obou koncích
svazku
Elektrodialyzační jednotky
• Výroba několika velikosti ED zařízení:
• laboratorní jednotka P EDR-Z/10-0.8
aktivní plocha 0,064m2
• pilotní jednotka P1 EDR-Y/50-0.8
aktivní plocha 2m2
• poloprovozní jednotka P2 2xEDR-X/100-0.8
aktivní plocha 18,88m2
• provozní jednotky MEGA EWDU 2-6xEDR-II/250-0.8
aktivní plocha 208 až 624m2
• Snadný scale-up při shodných podmínkách:
typ membrány, šířka rozdělovače, napětí, teplota,
rychlost toku, doba odsolení vsádky, ředění a
kyselení koncentrátu, neutralizace produktu
Aplikace elektrodialýzy
• Pitná a užitková voda – odstranění dusičnanů a fluoridů z podzemních
vod, bóru z mořské vody
• Chemický průmysl – recyklace HCl, čištění H2SO4 od kovů, recyklace
hnojiv, separace kys. mléčné, výroba kys. citronové, glukonové,
jantarové, aminokyselin
• Farmacie – výroba antibiotik, odsolování carnitinu
• Papírenství – recyklace vody z bělení
• Potravinářství – stabilizace vína, snížení kyselosti ovocných džusů,
snížení solnosti odstředěného mléka, odsolování šťávy z cukrové řepy,
výroba odsolených syrovátkových prášků
Syrovátka
tvaroh (s)
srážení
syrovátka (l)
1kg
11l
• Syrovátka
10kg
• odpad při výrobě sýra (na 1kg sýra je třeba 11l mléka a odpadá 10l syrovátky
• zdroj cenných nutričních látek: cukry (laktóza), bílkoviny, peptidy, aminokyseliny,
vitamíny, ...
• několik typů: renet=sladká, kys. mléčné=kyselá, přidaná kyselina=kaseinová
• zkrmuje se: škoda i problém (v ČR i EU rapidně padají počty prasat)
Výroba odsolených syrovátkových prášků
• Odstředění – snížení koncentrace tuků a kaseinového prachu na
<0,1g/l pro naturální syrovátku
• Pasterace – snížení počtu mikroogranismů
• Zahuštění – membránovými procesy (NF, RO) či odparkou
• Elektrodialýza – odsolení na 4, 2.5 či 1% popele v sušině
• Odparka – zahuštění před sušárnou
• Sušárna – sprejová, usušení na prášek
• Balení a expedice
Výroba a užití odsoleného syrovátkového prášku
• Vstupy
• Užití
• syrovátka (naturální,
koncentrovaná NF, RO, EV)
• koncentrované mlékárenské produkty
• syrovátkové a mléčné nápoje
• UF permeát syrovátek
• náhrada mléka ve zmrzlinách, čokoládách,
• matečné roztoky po krystalizaci
• zakysané mléčné produkty
laktózy
• Produkty
• výživa pro kojence – náhrada mateřského mléka
• kondenzované mléko
• DWP-50 4% popele v sušině
• cukrovinky, sušenky
• DWP-70 2.5% popele v sušině
• hotová jídla
• výchozí surovina pro některé bioreakce
(biotechnologie, farmacie)
Výroba a užití odsoleného syrovátkového prášku
• Vstupy
• Užití
• syrovátka (naturální,
koncentrovaná NF, RO, EV)
• koncentrované mlékárenské produkty
• syrovátkové a mléčné nápoje
• UF permeát syrovátek
• náhrada mléka ve zmrzlinách, čokoládách,
• matečné roztoky po krystalizaci
• zakysané mléčné produkty
laktózy
• Produkty
• výživa pro kojence – náhrada mateřského mléka
• kondenzované mléko
• cukrovinky, sušenky
• DWP-70 2.5% popele v sušině
• hotová jídla
• výchozí surovina pro některé bioreakce
(biotechnologie, farmacie)
Odsolení syrovátky elektrodialýzou
• Hnací síla: elektrické pole
• Přes CM přechází kationty (K+, Ca2+, Na+,
Mg2+, ...) a přes AM anionty (H2PO4-, Cl-,
SO42-, laktáty, citráty, ...) do koncentrátu
• Nenabité látky zůstávají (laktóza,
bílkoviny, ...)
Odsolení syrovátky elektrodialýzou
• Popel není zcela odstraněn – produkty,
rovnováha
• Mírné ztráty nenabitých látek – laktóza,
bílkoviny, ...
• Fouling membrán – významný a složitě
popsatelný odpor
• Snížená životnost membrán
• Nutnost častého CIP – omezení foulingu i
sanitace
Provozní parametry elektrodialýzy
• Membrány Ralex CMH-PES a AMH-PES produkované MEGA a.s.
• Plate-and-frame uspořádání svazku – obvyklé v ED, dobrá čistitelnost i opravy
• Vsádkový proces – 4 vsádky denně po 4,5h = 20h odsolování denně
• Mezi vsádkami čištění reverzací polarity
• Jednou denně CIP trvající 4h
• Neutrální elektrolyt omývající elektrody – odstranění vyvíjených plynů (H2 a O2)
• Nízká teplota 15°C omezující růst bakterií v syrovátce při jejím zpracování
• Feed-and-bleed vedení koncentrátu – ředění vodou, případně i kyselení – zabránění srážení
CaHPO4
• Kontrola procesu měřením vodivostí a pH, ukončení
na vodivosti odpovídající cílové koncentraci popela v sušině
• Neutralizace syrovátky po odsolení – snížení titrační
kyselosti a zvýšení pH na hodnoty podobné mléku
Rozdělení syrovátek do kategorií
• Dle typu syrovátky
• sladká ze srážení rennetem při výrobě sýrů
• kyselá ze srážení kyselinou mléčnou vznikající z laktózy přirozeným kvašením
• kaseinová ze srážení minerální kyselinou
• slaná s významným množstvím přidaného NaCl
• Dle technologie koncentračního stupně před ED
• naturální bez zahuštění
• nanofiltrovaná
• zahuštěná RO nebo odparkou
• Dle stupně odsolení produkovaného DWP
• DWP-50
• DWP-70
• DWP-90
• Matice 4x3x3 vyplňována naměřenými a vyhodnocenými daty
Výkon elektrodialýzy
CTS [kg/m2.h] Zahuštění sladká
slaná*
kyselá
kaseinová
naturální
2.70
0.57
1.15
DWP-50 NF
13.53
1.78
2.98
4.60
RO/EV
4.62
0.85
1.98
naturální
1.64
0.50
0.73
DWP-70 NF
4.83
1.11
1.69
2.22
RO/EV
2.53
0.63
1.30
naturální
0.67
0.41
0.53
DWP-90 NF
1.77
0.57
1.26
0.88
RO/EV
1.08
0.45
0.83
* salinita odpovídá míchané syrovátce z výroby sýra Niva
•Výkon klesá se stupněm odsolení.
• Výkon se mění v závislosti na typu syrovátky, nejlepší NF, druhá EV/RO, třetí
naturální.
• Výkon se mění v závislosti na typu, nejlepší sladká-kyselá-kaseinová-slaná.
slaná*
kyselá
kaseinová
naturální
2.70
0.57
1.15
DWP-50 NF
13.53
1.78
2.98
4.60
RO/EV
4.62
0.85
1.98
naturální
1.64
0.50
0.73
DWP-70 NF
4.83
1.11
1.69
2.22
RO/EV
2.53
0.63
1.30
naturální
0.67
0.41
0.53
DWP-90 NF
1.77
0.57
1.26
0.88
RO/EV
1.08
0.45
0.83
naturální.
slaná*
kyselá
kaseinová
naturální
2.70
0.57
1.15
DWP-50 NF
13.53
1.78
2.98
4.60
RO/EV
4.62
0.85
1.98
naturální
1.64
0.50
0.73
DWP-70 NF
4.83
1.11
1.69
2.22
RO/EV
2.53
0.63
1.30
naturální
0.67
0.41
0.53
DWP-90 NF
1.77
0.57
1.26
0.88
RO/EV
1.08
0.45
0.83
naturální.
Produkt
• Snížení hmotnosti vsádky syrovátky v řádu jednotek %
kvůli odstranění solí i vody (hydratovaný obal)
• Menší ztráty (jednotky %) organických složek: laktóza,
bílkoviny, tuk
• Snížení anorganických iontů (popel), organických iontů
(kyselina mléčná, citronová apod.) i NPN (močovina)
Produkt
Stupeň odstranění [1]
• Složení iontů se mění, malé jdou rychleji než velké
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Sušina
Popel
ClNO3H2PO4Ca2+
K+
0
2
4
6
Popel v sušině [%]
8
Mg2+
Na+
Varianty ED zařízení
• Dva základní typy membrán = selektivita iontů
• homogenní – velké rozdíly v transportu iontu (nízké odpory pro
malé ionty, vysoké odpory pro velké ionty), křehké, nesmí
vyschnout
• heterogenní – vyšší odpory pro všechny ionty, robustní, může
vyschnout
• Zapojení = výkon vs. mikrobiologie
• dlouhé vsádky při nízké teplotě
• krátké vsádky (či feed-and-bleed) při vysoké teplotě
Limity ED zařízení = výzkum a vývoj
• Mechanická a elektrická stabilita
• omezená velikost svazků (počet párů)
• úkapy ze zařízení, přetoky mezi komorami
• tvorba úzkých míst s velkým vývojem teploty
• zkratové proudy
• Zanášení
• bílkoviny, tuk, peptidy, fosforečnan vápenatý
• optimalizace čištění
Limity ED zařízení = výzkum a vývoj
• Výkon
• snižování elektrických odporů membrán
• zvyšování účinné plochy
• snižování mezní vrstvy a nánosu
• Sole ze syrovátky
• zásadní problém pro komerční uplatnění
• vypouštění (limity), hnojení (jen v létě)
• hledání dalších využití pro sole
Představení firmy
• Výzkumná, inženýrsko-technologická společnost (status výzkumné společnosti dle
Rámce společenství pro státní podporu výzkumu, vývoje a inovací č. 2006/C
323/01)
• Základní a aplikovaný výzkum a inovační aktivity v oblasti membránových procesů
• Dceřiná firma MEGA a.s.
• Vznik v říjnu 2008 z výzkumné
divize MEGA a.s.
• Sídlo ve Stráži pod Ralskem
• 55 zaměstnanců
• Spolupráce s českými i
zahraničními partnery (univerzity,
výzkumné ústavy, průmysl)
Představení firmy: stavba Membránového Inovačního Centra
• Výzkumné Membránové inovační centrum (MIC I.)
• OP VaVpI
• základní a aplikovaný výzkum
• Transferové Membránové inovační centrum (MIC II.)
• OPPI – Prosperita
• technologický vědecký park, transferové pracoviště
Představení firmy: stáže
• Studentům nabízíme spolupráce při
bakalářských, diplomových a disertačních
pracích
• Praktické práce (návrh experimentu, měření,
vyhodnocení) v oblasti elektromembránových
procesů – aplikace ve vodě, potravinářství,
farmacii, automotive
• Modelování elektromembránových procesů
(modely toku, transportu solí přes membrány,
foulingové vrstvy, odporů, zkratových proudů)
• Rešeršní bakalářské práce
Pod Vinicí 87
471 27 Stráž pod Ralskem
Tel,fax: +420 487 888 653, 102
Web: http://www.membrain.cz
E-mail: [email protected]
Děkuji za pozornost.

Odsolování syrovátky ED

Transkript

Podobné dokumenty

Vývojové hybridní MP MF a IEX nebo adsorpce

Hmotnostní a enthalpická bilance odparky

Destilační kolony

TECHNOLOGIE ODSTRAŇOVÁNÍ URANU Z PITNÉ VODY NA

Poruchy a onemocnění ledvin - Ústav Patologické fyziologie

Full text

Pokračování

9. Membránové procesy

Vodíkové hospodářství a možnosti využití vodíku k regulaci

Potravinová intolerance